Bước đột phá của Stanford mở đường cho pin kim loại lithium thế hệ tiếp theo sạc rất nhanh
Khái niệm pin công nghệ cao
Pin kim loại lithium với chất điện phân rắn là một công nghệ đầy hứa hẹn do tính chất nhẹ, không bắt lửa, mật độ năng lượng cao và khả năng sạc lại nhanh. Tuy nhiên, sự phát triển của chúng đã bị cản trở bởi vấn đề đoản mạch và hỏng hóc. Các nhà khoa học tại Đại học Stanford và Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC tuyên bố đã giải quyết được bí ẩn này.
Pin kim loại lithium mới với chất điện phân rắn rất nhẹ, dễ cháy, chứa nhiều năng lượng và có thể sạc lại rất nhanh, nhưng chúng phát triển chậm do đoản mạch và hỏng hóc bí ẩn. Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford và Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC cho biết họ đã giải quyết được bí ẩn.
Nó dẫn đến căng thẳng - chính xác hơn là căng thẳng cơ học - đặc biệt là trong quá trình sạc lại mạnh mẽ.
Tác giả chính William Chueh, phó giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật tại Đại học California, giải thích: “Chỉ cần một vết lõm, uốn cong hoặc xoắn vừa phải của pin cũng có thể khiến các vết nứt kích thước nano trong vật liệu mở ra và lithium xâm nhập vào chất điện phân rắn khiến nó bị đoản mạch”. Trường Kỹ thuật, khoa học năng lượng và kỹ thuật tại Trường Bền vững Doerr mới của Stanford.
Chueh, người chỉ đạo nghiên cứu cùng với Wendy Gu, phó giáo sư kỹ thuật cơ khí, cho biết: “Ngay cả bụi hoặc các tạp chất khác được đưa vào trong quá trình sản xuất cũng có thể tạo ra đủ áp lực để gây ra hỏng hóc.
Pin điện phân rắn gốm sứ thăm dò
Bản trình diễn của nghệ sĩ này cho thấy một đầu dò bị uốn cong do áp suất tác dụng, gây ra vết nứt trong chất điện phân rắn chứa đầy lithium. Ở bên phải, đầu dò không ép vào chất điện phân và các tấm lithium trên bề mặt gốm như mong muốn. Tín dụng: Cube3D
Vấn đề chất điện phân rắn bị hỏng không phải là mới và nhiều người đã nghiên cứu hiện tượng này. Có rất nhiều lý thuyết về nguyên nhân chính xác là gì. Một số người cho rằng nguyên nhân là do dòng điện tử ngoài ý muốn, trong khi những người khác chỉ ra hóa học. Tuy nhiên, những người khác đưa ra giả thuyết về các lực lượng khác nhau đang diễn ra.
Trong một nghiên cứu được công bố hôm nay (30 tháng 1) trên tạp chí Nature Energy, các đồng tác giả Geoff McConohy, Xin Xu và Teng Cui giải thích bằng các thí nghiệm nghiêm ngặt, có ý nghĩa thống kê về cách các khuyết tật ở cấp độ nano và ứng suất cơ học khiến chất điện phân rắn bị hỏng. Các nhà khoa học trên khắp thế giới đang cố gắng phát triển pin sạc điện phân thể rắn mới có thể thiết kế giải quyết vấn đề hoặc thậm chí biến khám phá thành lợi thế của họ, vì phần lớn nhóm Stanford này hiện đang nghiên cứu. Pin kim loại lithium dày đặc, sạc nhanh, không bắt lửa, tồn tại lâu dài có thể vượt qua các rào cản chính đối với việc sử dụng rộng rãi xe điện, cùng với nhiều lợi ích khác.
Ý nghĩa thống kê
Nhiều chất điện phân rắn hàng đầu hiện nay là gốm. Chúng cho phép vận chuyển nhanh các ion lithium và phân tách vật lý hai điện cực lưu trữ năng lượng. Quan trọng nhất, chúng có khả năng chống cháy. Tuy nhiên, giống như đồ gốm trong nhà của chúng ta, chúng có thể xuất hiện những vết nứt nhỏ trên bề mặt.
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh qua hơn 60 thí nghiệm rằng gốm sứ thường có các vết nứt, vết lõm và vết nứt ở cấp độ nano, nhiều loại có chiều rộng dưới 20 nanomet. (Một tờ giấy dày khoảng 100.000 nanomet.) Trong quá trình sạc nhanh, Chueh và nhóm cho biết, những vết nứt cố hữu này mở ra, cho phép lithium xâm nhập.
Chất điện phân rắn mạ lithium
Video kính hiển vi điện tử quét cho thấy quá trình mạ lithium diễn ra trên chất điện phân rắn. Tín dụng: Xin Xu, Geoff McConohy và Wenfang Shi
Trong mỗi thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã áp dụng một đầu dò điện vào chất điện phân rắn, tạo ra một cục pin nhỏ và sử dụng kính hiển vi điện tử để quan sát quá trình sạc nhanh trong thời gian thực. Sau đó, họ sử dụng một chùm ion như một con dao mổ để hiểu tại sao lithium tích tụ trên bề mặt gốm ở một số vị trí như mong muốn, trong khi ở những vị trí khác, nó bắt đầu đào sâu hơn và sâu hơn cho đến khi các cầu nối lithium bắt qua chất điện phân rắn. , tạo ra đoản mạch.
Sự khác biệt là áp lực. Khi đầu dò điện chỉ chạm vào bề mặt của chất điện phân, lithium tập hợp đẹp mắt trên đỉnh chất điện phân ngay cả khi pin được sạc trong chưa đầy một phút. Tuy nhiên, khi đầu dò ấn vào chất điện phân gốm, bắt chước các ứng suất cơ học của vết lõm, uốn cong và xoắn, thì nhiều khả năng pin sẽ bị đoản mạch.
Lý thuyết vào thực tế
Pin thể rắn trong thế giới thực được tạo thành từ các lớp trên các lớp cực âm-chất điện phân-cực dương xếp chồng lên nhau. Vai trò của chất điện phân là phân tách vật lý cực âm khỏi cực dương, nhưng vẫn cho phép các ion lithium di chuyển tự do giữa hai cực. Nếu cực âm và cực dương chạm vào hoặc được nối điện trong bất kỳ cách nào, như bằng một đường hầm của lithium kim loại, xảy ra hiện tượng đoản mạch.
Như Chueh và nhóm đã chỉ ra, ngay cả một cú bẻ cong nhẹ, vặn nhẹ hoặc một hạt bụi bám giữa chất điện phân và cực dương lithium sẽ gây ra các kẽ hở không thể nhận thấy.
McConohy, người đã hoàn thành bằng tiến sĩ năm ngoái làm việc trong phòng thí nghiệm của Chueh và hiện đang làm việc trong ngành công nghiệp, cho biết: “Có cơ hội thâm nhập vào chất điện phân, lithium cuối cùng sẽ luồn qua, kết nối cực âm và cực dương. "Khi điều đó xảy ra, pin bị hỏng."
Xin Yu, Teng Cui và Geoff McConohy
Các đồng tác giả chính của nghiên cứu mới, từ trái sang, Xin Yu, Teng Cui và Geoff McConohy ngồi trước kính hiển vi điện tử quét/chùm ion hội tụ được sử dụng cho nghiên cứu này. Tín dụng: Xin Xu
Các nhà nghiên cứu cho biết sự hiểu biết mới đã được chứng minh nhiều lần. Họ đã quay video quá trình này bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử quét – chính loại kính hiển vi không thể nhìn thấy các vết nứt mới hình thành trong chất điện phân tinh khiết chưa được kiểm tra.
Xu giải thích rằng nó giống như cách một ổ gà xuất hiện trên vỉa hè hoàn hảo. Qua mưa và tuyết, lốp xe ô tô dồn nước vào những vết nứt nhỏ, có sẵn trên mặt đường, tạo ra những vết nứt ngày càng rộng và lớn dần theo thời gian.
Xu, một học giả sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Chueh, cho biết: “Lithium thực sự là một vật liệu mềm, nhưng giống như nước trong ví dụ về ổ gà, tất cả những gì cần làm là tạo ra áp lực để mở rộng khoảng cách và gây ra sự cố.
Với sự hiểu biết mới trong tay, nhóm của Chueh đang tìm cách sử dụng chính những lực cơ học này một cách có chủ ý để làm cứng vật liệu trong quá trình sản xuất, giống như một thợ rèn luyện một lưỡi dao trong quá trình sản xuất. Họ cũng đang tìm cách phủ lên bề mặt chất điện phân để ngăn ngừa các vết nứt hoặc sửa chữa chúng nếu chúng xuất hiện.
Cui, một học giả sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Gu cho biết: “Tất cả những cải tiến này đều bắt đầu bằng một câu hỏi duy nhất: Tại sao?”. "Chúng tôi là kỹ sư. Điều quan trọng nhất chúng ta có thể làm là tìm ra lý do tại sao điều gì đó đang xảy ra. Một khi chúng ta biết điều đó, chúng ta có thể cải thiện mọi thứ.”
Tham khảo: “Quy định cơ học về xác suất xâm nhập của lithium trong chất điện phân rắn garnet” ngày 30 tháng 1 năm 2023, Nature Energy.
DOI: 10.1038/s41560-022-01186-4
Chueh cũng là thành viên cao cấp tại Viện Năng lượng Precourt tại Stanford, và là nhà khoa học tại SLAC. Đồng tác giả của nghiên cứu không được đề cập ở trên là các nghiên cứu sinh Tiến sĩ Edward Barks, Sunny Wang và Emma Kaeli của Stanford, và học giả sau tiến sĩ Celeste Melamed.
Tài trợ: Samsung Advanced Institute of Technology, Vehicle Technologies Office, Stanford StorageX Initiative
